Avaliação do comportamento sísmico de um edifício do campus da FCT/UNL
Lisboa 2009
Departamento de Engenharia Civil
Avaliação do comportamento sísmico de um edifício do campus da FCT/UNL
Miguel Bravo Bagorro
Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil – Estruturas e Geotecnia
Orientadora: Dra. Zuzana Dimitrovová Co-Orientador: Dr. João Rocha de Almeida
Lisboa 2009
AGRADECIMENTOS
A elaboração da dissertação teve o contributo de diversas pessoas que, de uma forma directa ou indirecta, me ajudaram e apoiaram e a quem quero expressar os meus profundos agradecimentos.
À professora Zuzana Dimitrovová, pela orientação, disponibilidade, tempo dispendido e apoio que sempre me prestou.
Ao professor João Rocha de Almeida, co-orientador da dissertação, pela enorme ajuda que me deu, todo o apoio técnico e permanente disponibilidade.
A todos os professores que contribuíram para a tese, através do esclarecimento de dúvidas ou fornecimento de documentos.
Aos meus amigos, pelo apoio incondicional, pelos incentivos, companheirismo e motivação que me transmitiram. Obrigado pela vossa amizade.
Por fim, a minha imensa gratidão à minha família, em especial aos meus pais e à Filipa, por tudo.
RESUMO
A população mundial tem lidado desde a antiguidade com os movimentos da crosta terrestre, expondo as deficiências das suas construções na resposta à acção sísmica. Os sucessivos eventos sísmicos, muitas vezes catastróficos para as populações, conduziram a um crescente estudo deste tipo de fenómenos, originando estudos que melhoraram e aperfeiçoaram o conhecimento das técnicas de dimensionamento sísmico e consequentemente as soluções construtivas utilizadas.
Está em curso na Europa a transição de regulamentos de dimensionamento sísmico. Em Portugal, o Eurocódigo 8 substituirá o Regulamento de Segurança e Acções para Edifícios e Pontes, actualmente em vigor. Neste trabalho, efectua-se uma comparação dos pontos mais importantes do projecto sismo-resistente nos dois regulamentos através da análise de um edifício.
Com base numa análise dinâmica linear, são calculados os esforços nos elementos da estrutura e efectuadas as verificações de segurança segundo os dois regulamentos.
Estudam-se ainda soluções de reforço estrutural, verificando a sua segurança de acordo com o Eurocódigo 2.
Palavras-chave: Eurocódigo 8, Regulamento de Segurança e Acções; Estruturas; Acção sísmica; Análise dinâmica linear; Reforço.
ABSTRACT
The world’s population has been dealing with the Earth’s crust movements since ancient times. These movements have exposed the weaknesses of buildings in response to the seismic action. Consecutive seismic events, often catastrophic for populations, have led to a growing study of this type of phenomenon. Several studies have been carried out, aiming to improve and perfect the knowledge of seismic dimensioning techniques and constructive solutions.
Europe currently faces a transition of seismic dimensioning regulations. In Portugal, Eurocode 8 will soon replace the “Regulamento de Segurança e Acções para Edifícios e Pontes”. In order to make a comparison of the most important points of the seismic-resistant projects stated in both regulations above, the structural analysis of a building is undertaken in this work.
Based on a linear dynamic analysis, use is made of both regulations for evaluating the forces in the structural elements and performing the safety checks.
In addition, structural reinforcement solutions are also studied and their safety verified according to Eurocode 2.
Keywords: Eurocode 8; Regulamento de Segurança e Acções; Structures; Seismic action; Linear dynamic analysis; Reinforcement.
ÍNDICE
Agradecimentos ... i Resumo ... iii Abstract ... v Índice ... vii Índice de figuras ... xi Índice de quadros ... xv Capítulo 1 - Introdução ... 1 Capítulo 2 - O Sismo ... 3 2.1 Enquadramento ... 3 2.2 Tectónica de placas ... 4 2.3 Falhas ... 62.4 Magnitude e intensidade sísmica ... 8
Capítulo 3 - Regulamentação sísmica ... 13
3.1 Eurocódigo 8 ... 14 3.1.1 Exigências de desempenho ... 14 3.1.2 Classes de importância ... 17 3.1.3 Coeficiente de comportamento ... 18 3.1.4 Classe de ductilidade ... 20 3.1.5 Zonamento ... 23
3.1.6 Definição da acção sísmica ... 25
3.1.7 Critérios de regularidade estrutural ... 30
3.1.7.1 Regularidade em planta ... 31
3.1.7.2 Regularidade em altura ... 33
Capítulo 4 - O Edifício ... 35
4.2 Solução estrutural ... 38 4.2.1 Generalidades ... 38 4.2.1.1 Fundações ... 38 4.2.1.2 Lajes ... 38 4.2.1.3 Vigas ... 39 4.2.1.4 Pilares ... 40 4.2.2 Materiais ... 41 4.2.3 Acções ... 42 4.2.3.1 Acções permanentes ... 42 4.2.3.2 Acções variáveis ... 42
Capítulo 5 - Avaliação do desempenho sísmico de estruturas ... 43
5.1 Métodos de análise elástica linear ... 44
5.2 Métodos de análise não linear ... 46
5.3 Considerações sobre métodos de análise sísmica ... 47
Capítulo 6 - Modelação ... 49
6.1 Associação plana (estrutura comboio) ... 49
6.2 Modelo de 3 graus de liberdade por piso ... 49
6.3 Modelo espacial (3D) da estrutura ... 50
6.3.1 Modelação do edifício ... 50 6.3.1.1 Elementos ... 51 6.3.1.2 Materiais ... 53 6.3.1.3 Apoios ... 54 6.3.1.4 Massas ... 56 6.3.1.5 Impulsos de terras ... 57
6.3.1.6 Malha de elementos finitos ... 61
6.3.1.7 Verificações ... 68
Capítulo 7 - Análise do edifício ... 71
7.1 Aplicação do Eurocódigo 8 ... 71
7.1.1 Tipo de estrutura ... 71
7.1.3 Coeficiente de comportamento ... 72
7.1.4 Zonamento e tipo de terreno ... 73
7.1.5 Regularidade da estrutura ... 74
7.1.5.1 Módulo A ... 74
7.1.5.1.1 Coeficiente de comportamento ... 75
7.1.5.2 Módulo B ... 75
7.1.6 Acção sísmica ... 76
7.2 Comparação entre RSA e EC8 ... 80
7.3 Análise modal ... 84
7.4 Análise de esforços ... 87
7.4.1 Módulo A ... 88
7.4.1.1 Eurocódigo 8 ... 89
7.4.1.2 Regulamento de segurança e acções ... 92
7.4.1.3 Análise comparativa de resultados ... 93
7.4.2 Módulo B ... 96
7.4.2.1 Eurocódigo 8 ... 97
7.4.2.2 Regulamento de segurança e acções ... 99
7.4.2.3 Análise comparativa de resultados ... 100
7.5 Verificações de segurança ... 101
7.5.1 Exigência de não colapso ... 103
7.5.1.1 REBAP ... 103 7.5.1.1.1 Pilares ... 103 7.5.1.1.1.1 Flexão ... 103 7.5.1.1.1.2 Esforço transverso ... 108 7.5.1.1.2 Vigas ... 114 7.5.1.1.2.1 Flexão ... 115 7.5.1.1.2.2 Esforço transverso ... 118 7.5.1.2 EC8 ... 120 7.5.1.2.1 Pilares ... 120 7.5.1.2.1.1 Flexão ... 120 7.5.1.2.1.2 Esforço transverso ... 122 7.5.1.2.2 Vigas ... 127 7.5.1.2.2.1 Flexão ... 127 7.5.1.2.2.2 Esforço transverso ... 130
7.5.2 Exigência de limite de danos ... 132
Capítulo 8 - Reforço ... 137
8.1 Flexão ... 137
8.2 Esforço transverso ... 138
Capítulo 9 - Considerações finais ... 141
Referências ... 145
Anexo A – Plantas do primeiro piso do edifício
Anexo B – Pilares analisados
ÍNDICE DE FIGURAS
Capítulo 2 - O Sismo ... 3
Figura 2.1 Placas tectónicas no globo terreste ... 4
Figura 2.2 Encontro de placas tectónicas ... 5
Figura 2.3 Epicentros de sismos recentes ... 6
Figura 2.4 Falhas em Portugal continental ... 7
Capítulo 3 - Regulamentação sísmica ... 13
Figura 3.1 Resistência de estruturas a deslocamentos impostos ... 19
Figura 3.2 Zonamento sísmico da NP do EC8 ... 24
Figura 3.3 Zonamento sísmico nacional – RSA ... 25
Figura 3.4 Forma genérica do espectro de resposta elástico (EC8, 2004)... 27
Figura 3.5 Critérios de regularidade de edifícios com recuos (EC8, 2004) ... 34
Capítulo 4 - O Edifício ... 35
Figura 4.1 Módulos dos edifícios ... 35
Figura 4.2 Módulo A do edifício ... 36
Figura 4.3 Módulo A do edifício ... 36
Figura 4.4 Módulo B do edifício ... 37
Figura 4.5 Módulos A e B do edifício ... 37
Figura 4.6 Pilar 13 ... 41
Capítulo 6 - Modelação ... 49
Figura 6.1 Geometria do elemento BEAM4 ... 52
Figura 6.2 Geometria do elemento SHELL63 ... 52
Figura 6.3 Muro de suporte ... 53
Figura 6.4 Muro de suporte de terras (módulo B) ... 55
Figura 6.5 Parede divisória 1 ... 56
Figura 6.6 Parede divisória 2 ... 56
Figura 6.7 Parede divisória 3 ... 57
Figura 6.9 Impulso activo segundo a teoria de Rankine ... 59
Figura 6.10 Tensões nos elementos do muro ... 60
Figura 6.11 Impulsos de terras ... 61
Figura 6.12 Numeração dos pilares do módulo A ... 62
Figura 6.13 Gráfico do esforço My no pilar 16 ... 64
Figura 6.14 Índice de momento relativo (My) para o pilar 16 ... 64
Figura 6.15 Gráfico do esforço My no pilar 10 ... 65
Figura 6.16 Índice de momento relativo (My) para o pilar 10 ... 65
Figura 6.17 Gráfico do esforço My positivo no pilar 8 ... 66
Figura 6.18 Gráfico do esforço My negativo no pilar 8 ... 66
Figura 6.19 Índice de momento relativo (My positivo) para o pilar 8 ... 67
Figura 6.20 Índice de momento relativo (My negativo) para o pilar 8 ... 67
Capítulo 7 - Análise do edifício ... 71
Figura 7.1 Setbacks do módulo A ... 74
Figura 7.2 Espectros de dimensionamento para o módulo A ... 77
Figura 7.3 Espectros de dimensionamento para o módulo B ... 78
Figura 7.4 Gráfico de comparação entre espectros de dimensionamento para o módulo A ... 79
Figura 7.5 Gráfico de comparação entre espectros do RSA ... 81
Figura 7.6 Gráfico de comparação entre espectros de resposta do EC8 e RSA para a acção sísmica interplacas – módulo A ... 82
Figura 7.7 Gráfico de comparação entre espectros de resposta do EC8 e RSA para a acção sísmica interplacas – módulo B ... 83
Figura 7.8 Gráfico de comparação entre espectros de resposta do EC8 e RSA para a acção sísmica intraplacas – módulo A ... 83
Figura 7.9 Gráfico de comparação entre espectros de resposta do EC8 e RSA para a acção sísmica intraplacas – módulo B ... 83
Figura 7.10 Pilares do módulo A ... 88
Figura 7.11 Gráfico de comparação de esforços entre as acções sísmicas do EC8 no pilar 16 do módulo A ... 91
Figura 7.12 Gráfico de comparação entre os espectros de resposta do RSA ... 92
Figura 7.13 Gráfico de comparação de esforços entre as acções sísmicas do RSA no pilar 16 do módulo A ... 93
Figura 7.14 Gráfico de comparação de esforços entre a acção sísmica
interplacas no pilar 16 do módulo A ... 94
Figura 7.15 Gráfico de comparação de esforços entre a acção sísmica intraplacas no pilar 16 do módulo A ... 95
Figura 7.16 Gráfico de comparação das acções sísmicas do módulo A ... 95
Figura 7.17 Gráfico de comparação dos esforços do módulo A ... 96
Figura 7.18 Pilares do módulo B ... 96
Figura 7.19 Consola do módulo B ... 97
Figura 7.20 Gráfico de comparação de esforços entre as acções sísmicas do EC8 no pilar 4 do módulo B ... 99
Figura 7.21 Gráfico de comparação de esforços entre as acções sísmicas do RSA no pilar 4 do módulo B... 100
Figura 7.22 Gráfico de comparação das acções sísmicas do módulo A ... 100
Figura 7.23 Gráfico de comparação dos esforços do módulo B ... 101
Figura 7.24 Vigas do módulo A ... 115
ÍNDICE DE QUADROS
Capítulo 2 - O Sismo ... 3
Quadro 2.1 Escala de Richter ... 9
Quadro 2.2 Escala Macrossísmica Europeia, 1998 ... 10
Capítulo 3 - Regulamentação sísmica ... 13
Quadro 3.1 Classes de importância e coeficientes de importância ... 18
Quadro 3.2 Valores de qo ... 21
Quadro 3.3 Valores do coeficiente de comportamento no REBAP ... 22
Quadro 3.4 Tipo de Solo ... 28
Quadro 3.5 Valores dos parâmetros na zona sísmica 1.1 ... 29
Quadro 3.6 Valores dos parâmetros na zona sísmica 1.2 ... 29
Quadro 3.7 Valores dos parâmetros na zona sísmica 1.3 ... 29
Quadro 3.8 Valores dos parâmetros na zona sísmica 1.4 e 1.5 ... 29
Quadro 3.9 Valores dos parâmetros na zona sísmica 2.1, 2.2 e 2.3 ... 30
Quadro 3.10 Valores dos parâmetros na zona sísmica 2.4 e 2.5 ... 30
Quadro 3.11 Parâmetro agR (EC8) ... 30
Quadro 3.12 Modelos, métodos e valores do coeficiente de comportamento a utilizar consoante a regularidade estrutural do edifício ... 31
Capítulo 4 - O Edifício ... 35
Quadro 4.1 Vigas do módulo A ... 39
Quadro 4.2 Vigas do módulo B ... 39
Quadro 4.3 Pilares do edifício ... 41
Capítulo 6 - Modelação ... 49
Quadro 6.1 Altura dos pisos ... 51
Quadro 6.2 Módulo de reacção do solo ... 54
Quadro 6.3 Impulsos de terras no muro ... 60
Quadro 6.4 Esforços My no pilar 16 ... 63
Quadro 6.6 Esforços Mz no pilar 8 ... 66
Quadro 6.7 Esforços Mz no pilar 19 ... 67
Quadro 6.8 Verificações estáticas ... 68
Quadro 6.9 Verificações modais - frequências ... 69
Capítulo 7 - Análise do edifício ... 71
Quadro 7.1 Aceleração máxima de projecto de referência ... 76
Quadro 7.2 Parâmetros de definição da acção sísmica ... 77
Quadro 7.3 Comparação de parâmetros entre RSA e EC8 ... 82
Quadro 7.4 Valores do factor de redução e do coeficiente de combinação para a acção variável ... 85
Quadro 7.5 Frequências e períodos do módulo A ... 86
Quadro 7.6 Frequências e períodos do módulo B ... 87
Quadro 7.7 Módulo A – Modos de vibração, frequências e coeficiente de importância para a acção sísmica tipo 1 – EC8 ... 89
Quadro 7.8 Módulo A – Esforços dos pilares mais esforçados para a acção sísmica tipo 1 – EC8 ... 90
Quadro 7.9 Módulo A – Modos de vibração, frequências e coeficiente de importância para a acção sísmica tipo 2 – EC8 ... 90
Quadro 7.10 Módulo A – Esforços dos pilares mais esforçados para a acção sísmica tipo 2 – EC8 ... 91
Quadro 7.11 Módulo A – Esforços dos pilares mais esforçados para a acção sísmica tipo 1 – RSA ... 92
Quadro 7.12 Módulo A – Esforços dos pilares mais esforçados para a acção sísmica tipo 2 – RSA ... 93
Quadro 7.13 Módulo B – Esforços dos pilares mais esforçados para a acção sísmica tipo 1 – EC8 ... 97
Quadro 7.14 Módulo B – Modos de vibração, frequências e coeficiente de importância para a acção sísmica tipo 1 – EC8 ... 98
Quadro 7.15 Módulo B – Esforços dos pilares mais esforçados para a acção sísmica tipo 2 – EC8 ... 98
Quadro 7.16 Módulo B – Esforços dos pilares mais esforçados para a acção sísmica tipo 1 – RSA ... 99
Quadro 7.17 Módulo B – Esforços dos pilares mais esforçados para a acção
sísmica tipo 2 – RSA... 99
Quadro 7.18 Valores de fcd ... 104
Quadro 7.19 Valores de fyd ... 104
Quadro 7.20 Dimensões e esforços máximos nos pilares do módulo A ... 105
Quadro 7.21 Esforços reduzidos e armaduras do módulo A ... 105
Quadro 7.22 Dimensões e esforços máximos nos pilares do módulo B ... 106
Quadro 7.23 Esforços reduzidos e armaduras do módulo B ... 106
Quadro 7.24 Armadura longitudinal ... 107
Quadro 7.25 Valores de τ1 ... 108
Quadro 7.26 Valores de τ2 ... 109
Quadro 7.27 Dimensões e esforços actuantes e resistentes do módulo A ... 110
Quadro 7.28 Dimensões e esforços actuantes e resistentes do módulo B ... 111
Quadro 7.29 Análise de resistência ao esforço transverso do pilar 33 no módulo B – RSA ... 111
Quadro 7.30 Espaçamento máximo de armadura transversal... 112
Quadro 7.31 Armaduras do pilar número 4 do módulo B ... 112
Quadro 7.32 Limite do valor de cálculo do esforço transverso resistente ... 113
Quadro 7.33 Armaduras de esforço transverso obtidas através do RSA/REBAP para o pilar 33 do módulo B ... 114
Quadro 7.34 Esforços máximos na viga do módulo A ... 116
Quadro 7.35 Esforços máximos na viga do módulo B ... 116
Quadro 7.36 Valores de armadura de flexão na viga do módulo A ... 117
Quadro 7.37 Valores de armadura de flexão na viga do módulo B... 117
Quadro 7.38 Percentagem de estribos ... 118
Quadro 7.39 Dimensões e esforços máximos nos pilares do módulo A ... 120
Quadro 7.40 Esforços reduzidos e armaduras obtidas através do EC8/EC2 para o módulo A... 120
Quadro 7.41 Dimensões e esforços máximos nos pilares do módulo B ... 121
Quadro 7.42 Esforços reduzidos e armaduras obtidas através do EC8/EC2 para o módulo B ... 121
Quadro 7.43 Análise de resistência à flexão no pilar 16 do módulo A – EC8 ... 121
Quadro 7.44 Análise de resistência à flexão no pilar 4 do módulo B – EC8 ... 121
Quadro 7.46 Dimensões e esforço transverso actuante e resistente no módulo A ... 124 Quadro 7.47 Dimensões e esforço transverso actuante e resistente no módulo B ... 124 Quadro 7.48 Análise de resistência ao esforço transverso do pilar 16
do módulo A – EC8 ... 124 Quadro 7.49 Análise de resistência ao esforço transverso do pilar 33
do módulo B – EC8 ... 125 Quadro 7.50 Análise de resistência ao esforço transverso do pilar 40
do módulo B – EC8 ... 125 Quadro 7.51 Verificação do esmagamento do betão de acordo com o EC8 ... 126 Quadro 7.52 Espaçamento máximo de cintas no EC8 ... 126 Quadro 7.53 Esforços máximos na viga do módulo A ... 127 Quadro 7.54 Esforços máximos na viga do módulo B ... 127 Quadro 7.55 Valores de armadura de flexão na viga do módulo A ... 127 Quadro 7.56 Valores de armadura de flexão na viga do módulo B ... 128 Quadro 7.57 Verificação do esforço transverso nas vigas ... 130 Quadro 7.58 Verificação do betão comprimido ... 131 Quadro 7.59 Armadura transversal mínima ... 132 Quadro 7.60 Deslocamentos na direcção X ... 134 Quadro 7.61 Deslocamentos na direcção Y ... 134
Capítulo 8 - Reforço ... 137 Quadro 8.1 Verificação da exigência de não colapso à flexão do pilar 16 com
reforço ... 138 Quadro 8.2 Armaduras de reforço ao esforço transverso obtidas através do
I N T R O D U Ç Ã O
A presente dissertação destina-se à obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil – Estruturas e Geotecnia, conferido pela Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa (FCT/UNL).
Este trabalho tem como objectivo a análise e avaliação do comportamento sísmico da estrutura de um edifício do campus da Universidade, em concreto o edifício número IX – Departamento de Engenharia Civil, com base no Eurocódigo 8 (EC8), nova norma europeia para dimensionamento sísmico. Esta avaliação serve igualmente para verificar se, com a iminente entrada em vigor dos eurocódigos em detrimento do Regulamento de Segurança e Acções para Edifícios e Pontes (RSA) anteriormente utilizado no dimensionamento do edifício, este mantém a segurança em relação à acção sísmica. São igualmente verificadas as opções de projecto através da análise segundo o RSA.
A motivação para a realização do trabalho baseou-se na possibilidade do tema permitir ao autor um contacto com ferramentas fundamentais para o trabalho de um engenheiro civil na área de estruturas, aumentando as competências e qualificações adquiridas ao longo do curso, ao mesmo tempo que se desenvolve um trabalho de grande utilidade para a comunidade universitária que frequenta o campus da FCT/UNL. Em concreto, desenvolveu-se o conhecimento do EC8, factor muito importante quando se sabe que os regulamentos europeus brevemente substituirão os regulamentos nacionais em vigor, observaram-se os projectos do edifício e adquiriram-se conhecimentos de cálculo automático através da utilização do programa ANSYS para análise estrutural de edifícios através de elementos finitos.
Pretende-se que o trabalho seja elaborado de modo a justificar todas as decisões tomadas na análise do edifício e todos os passos dados ao longo do estudo que possam ser passíveis de dúvida por parte do leitor.
No capítulo 2 da dissertação, é feita uma introdução ao fenómeno sísmico. São referidas as principais causas da actividade sísmica, dando-se especial atenção à região onde se situa a estrutura a analisar. São ainda apresentados os conceitos de magnitude e intensidade sísmica.
No capítulo 3, efectua-se uma apresentação geral das grandes linhas do projecto sismo-resistente de acordo com a parte 1 do EC8 (EN 1998-1) e em particular no que diz respeito à sua aplicação em Portugal, comparando as suas disposições com as do RSA, regulamento nacional em vigor.
No capítulo 4, apresenta-se o edifício a analisar. Descreve-se, numa primeira parte, um enquadramento geral do edifício, a sua localização e constituição. Posteriormente, são apresentados os elementos estruturais do edifício, os materiais utilizados e outras características.
No capítulo 5, apresentam-se diversas hipóteses de avaliação do desempenho sísmico de estruturas, bem como diferentes alternativas no que respeita à modelação da estrutura ou ao método de análise. São ainda apresentadas algumas considerações sobre esses métodos.
No capítulo 6, efectua-se a descrição da modelação da estrutura em questão, referindo as principais opções tomadas no processo.
No capítulo 7 efectua-se a análise da estrutura do edifício. Aplicam-se os critérios do EC8 definidos no capítulo 3 e comparam-se com os dispostos no RSA. É apresentada uma análise modal, o cálculo dos esforços e as correspondentes verificações de segurança de acordo com cada um dos dois códigos.
No capítulo 8, são sugeridas propostas de reforço para os elementos que não cumprem as condições impostas pelo EC8 para as verificações de segurança.
No capítulo 9, apresentam-se comentários e considerações finais relativamente ao trabalho desenvolvido.
O S I S M O
2.1 ENQUADRAMENTO
A população mundial tem lidado desde a antiguidade com o fenómeno dos movimentos terrestres, alterando ao longo dos anos as suas atitudes perante a ocorrência de tais abalos. Considerada durante muito tempo como uma punição divina ou interpretada na Grécia antiga como contorções do gigante Enceladus, derrotado segundo a mitologia dos Deuses do Olimpo e enterrado na ilha de Sicília, a origem dos terramotos foi base para muitos pensamentos e teorias até se chegar ao conhecimento actual.
Sabe-se hoje que um sismo é uma vibração brusca da superfície terrestre e que o principal processo responsável pela actividade sísmica no planeta se situa ao nível das placas tectónicas, nos seus movimentos e em falhas no interior da Terra. As tensões que levam à rotura destas falhas (superfícies que separam dois blocos da crosta que se moveram um em relação ao outro) e que se libertam aquando do deslizamento das placas resultam de um fenómeno natural de dinâmica interna da Terra. Nas fronteiras que separam as placas, o atrito opõe-se ao movimento relativo entre bordos, originando-se tensões elevadas. Caso tais tensões sejam suficientemente grandes para vencer a resistência ao movimento, ocorrem deslizamentos responsáveis pela actividade sísmica. A actividade sísmica também se pode dever à actividade vulcânica, a deslocamentos de gases no interior da Terra, a deslocações superficiais de terreno (abatimentos e deslizamentos) ou mesmo devido à acção humana através da detonação de explosivos, injecção e extracção de fluidos da crosta terrestre ou movimento de grandes massas de água em barragens.
O ponto onde ocorre o sismo em profundidade denomina-se foco sísmico ou hipocentro. O local à superfície terrestre directamente acima do hipocentro e onde se regista a intensidade máxima do sismo designa-se por epicentro.
Apesar de certos fenómenos sísmicos exibirem periodicidade, ainda não é possível prever com exactidão quando se dará a próxima rotura e consequentemente o próximo sismo.
A rotura de uma falha origina uma serie de manifestações, causando danos mais severos quanto maior for a magnitude do sismo e mais próximo da falha estiverem as construções. No entanto, a distribuição de danos em geral não é regular, variando a intensidade que ele causa de ponto para ponto (ao contrário da magnitude, que é uma característica de cada sismo). Os conceitos de magnitude e intensidade são referidos no ponto 4 deste capítulo.
Embora de forma geral a propagação seja linear, quanto mais perto do foco do sismo, maior é a amplitude das vibrações, logo, maior o abalo sentido e maiores os danos causados. O desequilibro causado pela rotura da falha origina vibrações no solo que dependem de factores como o tipo de solo entre o foco e os locais em questão ou a topografia do local, podendo assim fazer variar as vibrações à superfície e a intensidade de um sismo. Assim, os danos causados não variam linearmente com a distância à falha.
2.2 TECTÓNICA DE PLACAS
Sendo o movimento das Placas Tectónicas o principal processo responsável pela actividade sísmica, as zonas do globo localizadas perto dos encontros de placas são naturalmente zonas de maior risco sísmico.
Figura 2.1 – Placas Tectónicas no globo terrestre Fonte: Portal Objectivo
Pode-se definir risco sísmico como uma descrição probabilística das consequências para a sociedade da ocorrência de sismos. O risco sísmico é percepcionado essencialmente a partir dos efeitos dos grandes sismos cujos efeitos ficam na memória das populações.
É útil analisar com maior pormenor o caso de Portugal e em particular da zona em estudo (Lisboa e arredores) para uma melhor compreensão do problema.
Os fenómenos sísmicos em Portugal Continental e ilhas são recorrentes, sendo a história do nosso país marcada por diversos episódios de maior ou menor relevância. Esta actividade está relacionada com a nossa proximidade ao encontro de três Placas: Euro-Asiática, Africana e Americana.
Portugal situa-se na placa euro-asiática (Figura 2.2), limitada a sul pela falha dos Açores-Gibraltar, que define a fronteira entre a placa euro-asiática e a africana, e a oeste pela falha dorsal do oceano Atlântico. Embora não seja possível afirmar com total segurança o desenvolvimento das fronteiras das placas, olhando para a localização dos epicentros de sismos recentes (Figura 2.3) conseguem-se identificar as principais zonas activas, indiciando uma estrutura tectónica complexa na fronteira das placas a sul e sudoeste do Algarve com derivações para norte, influenciando a sismicidade da costa portuguesa.
Figura 2.2 – Encontro de placas tectónicas
O movimento relativo entre placas é a principal causa para a concentração de tensões ao longo das suas fronteiras, originando, de tempos a tempos, sismos que resultam da dissipação dessas concentrações de tensões. Sabe-se hoje que a placa africana se caracteriza por um deslocamento para Norte, originando uma colisão com a placa euro-asiática, enquanto a dorsal atlântica tem um movimento divergente E-W.
Figura 2.3 – Epicentros de sismos recentes Fonte: Instituto Geofísico do Infante D. Luís
2.3 FALHAS
Relativamente à sismicidade intraplacas, consequência de movimentos em falhas existentes no interior das placas, pode-se observar a Figura 2.4, onde se identificam as principais falhas no território de Portugal Continental.
Figura 2.4 – Falhas em Portugal Continental.
Falhas activas (traço cheio) e falhas possivelmente activas (a tracejado). Fonte: Dias, 2000
Em Portugal, considera-se que uma falha é activa se nela ocorreu movimento nos últimos 3 milhões de anos.
Para o caso em estudo, é importante destacar a existência da falha do Vale Interior do Tejo. Esta falha corresponde a uma fonte sismogénica onde se têm verificado eventos catastróficos, atingindo com grande violência a cidade de Lisboa e os seus arredores. Temos como exemplo os sismos de: 1344, de que para além da localização apenas se sabe que teve um potencial destrutivo significativo; 1531, de magnitude 7, em que pela primeira vez é traçada uma carta de isossistas e que, embora pouco documentado, se pensa que, caso tivesse ocorrido com o parque habitacional existente em 1755, teria possivelmente produzido mais danos e vitimas que o famoso sismo de 1 de Novembro desse ano; mais recentemente, a 23 de Abril de 1909 o sismo de Benavente (considerado o sismo mais destruidor em Portugal Continental no século XX) de magnitude entre 6 e 7,6 (Mário Lopes afirma que o sismo teve magnitude 6,3) que destruiu por completo esta vila e originou danos em Lisboa.
As falhas existentes no interior das placas provocam à partida eventos com menor magnitude que os sismos interplacas anteriormente referidos, uma vez que não é possível nestas falhas acumularem-se tensões que provoquem a libertação de energia das placas tectónicas. Apesar disso, por se situarem geralmente mais perto dos aglomerados populacionais do que as zonas de encontro de placas tectónicas, o facto das ondas sísmicas não disporem de espaço para se atenuarem pode provocar maiores danos nestes aglomerados.
2.4 MAGNITUDE E INTENSIDADE SÍSMICA
A grandeza de um sismo pode ser caracterizada por diversas grandezas, sendo as mais utilizadas a magnitude e a intensidade. A magnitude de um sismo é a sua “impressão digital”: cada sismo tem um único valor de magnitude, mas pode produzir diferentes intensidades na área afectada.
A magnitude sísmica indica a quantidade de energia libertada por um evento sísmico. O seu cálculo é baseado nas amplitudes de ondas sísmicas registadas por um sismógrafo.
Comparativa e genericamente, os sismos interplacas possuem magnitudes superiores às dos sismos intraplacas, devido sobretudo à extensão das massas envolvidas na produção de tensões. No entanto, por terem de percorrer maiores distâncias, o que atenua as ondas sísmicas, nem sempre as acelerações do solo junto às construções reproduzem o diferencial de magnitude, uma vez que os sismos intraplacas, como já mencionado, ocorrem frequentemente em falhas perto dos aglomerados, podendo atingi-los com intensidade pouco atenuada.
A intensidade reflecte à superfície os efeitos produzidos pelo sismo. Devido à sua “dependência” de vários factores, já referidos, a intensidade de um sismo varia de ponto para ponto, sendo máxima no epicentro do sismo e diminuindo perifericamente.
Existem diversas escalas que uniformizam os valores de magnitude e intensidade sísmica.
Em 1935 foi desenvolvida por Charles Richter a escada de magnitudes ainda hoje mais utilizada, a Escala de Richter. Esta escala logaritmica tem como base a amplitude máxima das ondas sísmicas originadas no fenómeno. Com base na escala de Richter, podem classificar-se da seguinte forma os sismos quanto à magnitude:
Quadro 2.1 – Escala de Richter
Descrição Magnitude Efeitos Frequência Mundial
Micro ≤ 2.0 Micro tremor de terra, não se sente ≈ 8000 por dia
Muito pequeno 2.0 – 2.9 Geralmente não se sente mas é
detectado/registado ≈ 1000 por dia
Pequeno 3.0 – 3.9 Frequentemente sentido mas raramente
causa danos ≈ 49000 por ano
Ligeiro 4.0 – 4.9
Tremor notório de objectos no interior de habitações, ruídos de choque entre objectos, danos importantes pouco
comuns
≈ 6200 por ano
Moderado 5.0 – 5.9
Pode causar danos maiores em edifícios mal concebidos em zonas restritas Provoca danos ligeiros em edifícios bem
construídos
≈ 800 por ano
Forte 6.0 – 6.9 Pode ser destruidor em zonas num raio de
até 180 quilómetros ≈ 120 por ano
Grande 7.0 – 7.9 Pode provocar danos graves em zonas
mais vastas 18 por ano
Importante 8.0 – 8.9 Pode causar danos sérios em zonas num
raio de centenas de quilómetros 1 por ano
Excepcional 9.0 11.9 Devasta zonas num raio de milhares de
quilómetros 1 a cada 20 anos
Extremo ≥12.0 Poderia dividir a Terra ao meio Hipotético
A intensidade sísmica é também medida através de diversas escalas, sendo de realçar a Escala de Mercalli ou de Intensidade e a Escala Macrossísmica Europeia (EMS-98). A última foi criada no sentido de constituir um padrão de uniformização europeu na avaliação da intensidade sísmica, pretendendo substituir a Escala de Mercalli elaborada em 1902 e modificada em 1931, e outras escalas similares. A versão final da Escala Macrossísmica Europeia foi aprovada em 1998, passando a escala a ser conhecida por EMS-98.
Quadro 2.2 – Escala Macrossísmica Europeia, 1998
Grau de
Intensidade Definição Efeitos (resumidos)
I Não sentido Não sentido
II Raramente sentido Sentido apenas por muito poucas pessoas que se
encontram em repouso
III Fraco
Sentido dentro de casa por algumas pessoas; as pessoas em repouso sentem um balanço ou um
leve tremor
IV Amplamente sentido
Sentido dentro de casa por muitas pessoas e, por muito poucas fora de casa; algumas pessoas acordam; as janelas, portas e loiças chocalham,
com algum ruído
V Forte
Sentido dentro de casa pela maior parte das pessoas e, por algumas fora de casa; muitas pessoas acordam; algumas pessoas ficam assustadas; os edifícios tremem; os objectos suspensos baloiçam grandemente; pequenos objectos são deslocados; portas e janelas abrem-se
e fecham-se
VI Ligeiramente danificador
Muitas pessoas assustam-se e correm para fora de casa; alguns objectos caiem; muitas casas sofrem
danos ligeiros não estruturais, como pequenas fendas e queda de pequenos pedaços de estuque
VII Danificador
A maior parte das pessoas assusta-se e corre para fora de casa; a mobília é arrastada e caiem muitos objectos de prateleiras; muitos edifícios normais,
bem construídos, sofrem danos moderados: pequenas rachas nas paredes, queda de estuque, caiem partes de chaminés; os edifícios mais velhos
podem apresentar grandes rachas nas paredes e queda de paredes interiores (de enchimento)
VIII Pesadamente danificador
Muitas pessoas têm dificuldade em se manter de pé; muitas casas têm grandes rachas nas paredes; muitos edifícios normais, bem construídos, sofrem
queda de paredes, enquanto os edifícios mais frágeis e velhos podem colapsar
IX Destrutivo
Pânico geral; muitas construções fracas, colapsam; mesmo edifícios normais, bem construídos, apresentam danos severos: queda de paredes e
colapso estrutural parcial
X Muito destrutivo Muitos edifícios normais, bem construídos,
colapsam
XI Devastador
A maior parte dos edifícios normais, bem construídos, colapsam; mesmo alguns com bom
desenho anti-sísmico são destruídos
XII Completamente
Portugal, e mais concretamente o concelho de Almada, onde se situa o Campus da Caparica, pode-se considerar uma zona de sismicidade importante, tanto no que diz respeito a sismicidade interplacas como intraplacas.
R E G U L A M E N T A Ç Ã O S Í S M I C A
É amplamente reconhecido que a vibração no terreno pode induzir níveis inaceitáveis de danos nos edifícios existentes. Quando estes edifícios estão localizados em regiões sísmicas, o risco de danos pode atingir níveis elevados.
O agravamento do risco pode também dever-se a factores como: tipologia estrutural inapropriada, má qualidade dos materiais estruturais, deficiente estado de conservação ou consideração de um nível de protecção sísmica inadequado no projecto. Por estas razões, a avaliação sísmica de edifícios é entendida como um problema que precisa de um tratamento específico através do estabelecimento de códigos.
Em Portugal, existe actualmente em vigor o Regulamento de Segurança e Acções em Estruturas de Edifícios e Pontes (RSA) que veio, em 1983, responder a uma necessidade de actualizar a regulamentação portuguesa relativa a estruturas de edifícios e pontes, de modo a nela incorporar os progressos tecnológicos recentes e a harmonizá-la com as modernas tendências internacionais. Este regulamento, juntamente com o Regulamento de Estruturas de Betão Armado e Pré-Esforçado (REBAP), publicado no mesmo ano, permitiu introduzir níveis superiores de rigor e exigência nos cálculos sísmicos destas estruturas, conduzindo a um aumento do nível de resistência contra os sismos. A elaboração deste diploma substituiu o anterior Regulamento de Solicitações em Edifícios e Pontes constituindo um documento normativo nuclear para a verificação da segurança de tais estruturas.
A constante evolução do conhecimento nesta área, aliada a uma vontade “europeia” de harmonização técnica entre os regulamentos levou à criação de um conjunto de normas designadas Eurocódigos, que se destinam a regular o projecto estrutural das construções na União Europeia.
3.1 EUROCÓDIGO 8
Os Eurocódigos possuem uma Norma Europeia (EN) com a regulamentação e procedimentos recomendados, embora permitam às autoridades nacionais elaborarem os próprios Anexos Nacionais dos Eurocódigos, em que se adaptam os regulamentos à realidade de cada país. Os parâmetros alvo desta adequação denominam-se parâmetros de determinação nacional e podem ser relacionados com a segurança, economia ou com aspectos de natureza geográfica ou climática do país.
O Eurocódigo 8 (EC8) – Projecto de estruturas sismo-resistentes, agrupa todos os aspectos relativos ao projecto sismo-resistente. Na regulamentação nacional em vigor, pelo contrário, os aspectos sísmicos são tratados em conjunto com as outras acções.
Na versão EN, o EC8 é subdividido em 6 partes. Neste capítulo faz-se uma apresentação geral das grandes linhas do projecto sismo-resistente de acordo com a parte 1 do EC8 (EN 1998-1) correspondente a “Regras gerais, acções sísmicas e regras para edifícios”, e em particular no que diz respeito à sua futura aplicação em Portugal, evidenciando os aspectos mais relevantes do seu Anexo Nacional para Portugal, comparando as suas disposições com as do RSA, regulamento nacional em vigor e seguido na construção do edifício que estudámos.
3.1.1 EXIGÊNCIAS DE DESEMPENHO
Na eventualidade de ocorrência de um sismo, o objectivo do projecto sismo-resistente, de acordo com o EC8 é: proteger vidas humanas, limitar as perdas económicas e assegurar a manutenção em funcionamento das instalações de protecção civil importantes.
Segundo este regulamento as estruturas devem cumprir dois níveis de verificação sísmica:
Exigência de não colapso:
As estruturas não devem colapsar quando sujeitas à acção de um evento sísmico raro (sismo de projecto). Esta exigência destina-se essencialmente a proteger as vidas
humanas dos efeitos de colapsos globais ou parciais. É exigido que as estruturas mantenham a sua integridade e uma capacidade mínima de suporte das cargas gravíticas durante e após a ocorrência de um sismo. É admissível que a acção provoque danos estruturais significativos mas a estrutura não deve entrar em colapso.
Exigência de limitação de danos:
No caso de actuação de um sismo com maior probabilidade de ocorrência relativamente ao sismo de projecto (evento sísmico frequente) os danos nas construções devem ser limitados. Esta exigência destina-se essencialmente a reduzir as perdas económicas.
Devem-se evitar os danos estruturais e limitar os danos em elementos não estruturais a situações reparáveis de modo fácil e económico.
Estas duas exigências devem ser satisfeitas pelas estruturas para acções sísmicas com diferente probabilidade de ocorrência durante um determinado período de referência, normalmente 50 anos em edifícios correntes.
O valor recomendado no EC8 para a escolha da acção sísmica de projecto (“design seismic action”), ou seja, a acção para a qual a exigência de não-colapso é verificada, é para os casos correntes, de 10% de probabilidade em 50 anos. Tem-se assim, uma acção com uma aceleração sísmica de referência em rocha correspondente a um período de retorno de 475 anos. Define-se período de retorno como o inverso da probabilidade de ocorrência de um evento, neste caso sismológico e expressa-se em anos, pode também ser chamado de intervalo de recorrência.
A escolha desta acção, ou a sua probabilidade de excedência cai no âmbito dos Parâmetros de Determinação Nacional. A Norma Portuguesa do EC8 adopta o valor recomendado.
Note-se que a aceitação deste valor para o Anexo Nacional corresponde a uma alteração significativa em relação à regulamentação nacional em vigor. De facto, no RSA, documento em vigor, a acção sísmica é considerada como uma acção variável e tem uma probabilidade de excedência de 5% em 50 anos, ou seja, corresponde-lhe um período de retorno de 975 anos. É ainda considerada uma majoração da acção devido ao facto de a acção sísmica ser aqui considerada como uma acção variável, com um coeficiente parcial de segurança de 1.5. Ao combinar esta acção com as restantes acções de dimensionamento para verificação do Estado-Limite Último, o valor do período de retorno será ainda maior, na ordem dos 2500 a 3000 anos. (Carvalho, 2007)
A manutenção deste critério do RSA daria origem a um agravamento generalizado e muito significativo dos valores da acção sísmica a considerar no projecto sismo-resistente em Portugal, o que levou à adopção dos valores recomendados na Norma Europeia do EC8.
Ao contrário do RSA, onde não existe qualquer verificação sísmica para o estado limite de serviço, no EC8 existe uma verificação de limitação de danos. Nesta verificação, para uma acção denominada “acção sísmica de serviço” (embora não seja assim designada no documento) adopta-se, para casos correntes, uma acção com 10% de probabilidade em 10 anos, tendo assim um período de retorno de 95 anos.
Este aspecto consiste numa diferença conceptual importante entre os dois documentos. Esta diferença deve-se ao facto de, no EC8, a preocupação com a segurança das pessoas (também expressa no RSA) ser ainda acompanhada por uma preocupação de natureza económica no dimensionamento sísmico.
À partida, e pelo exposto acima, poder-se-ia pensar que a análise através do EC8 seria uma análise mais complexa por se terem de efectuar duas verificações, enquanto no RSA só se necessitaria de uma; contudo, tal não acontece. Esta dupla verificação, apesar de se considerarem acções sísmicas com diferentes probabilidades de ocorrência, não acarreta na prática uma dificuldade acrescida, pois o EC8, simplificando a realidade, considera que as duas acções têm a mesma configuração espectral (esta configuração será apresentada mais à frente aquando da definição da acção sísmica).
A “acção sísmica de serviço” obtém-se aplicando um coeficiente de redução à acção sísmica de projecto. O anexo nacional recomenda no caso da acção sísmica do tipo 1 (sismo interplacas) um valor de 0,4 e no caso de acção sísmica do tipo 2 (intraplacas) de 0,55.
As verificações de projecto relacionadas com a exigência de não colapso centram-se na obtenção de uma combinação de resistência e ductilidade dos elementos estruturais. Pretende-se que os esforços resistentes sejam superiores aos esforços actuantes.
No caso da exigência de limitação de danos, as verificações referem-se essencialmente a limitações de deformações laterais da estrutura que garantam a integridade dos elementos estruturais e não-estruturais. O EC8 define limites máximos de deslocamentos em função de características das estruturas.
3.1.2 CLASSES DE IMPORTÂNCIA
O EC8, com o objectivo de diferenciar a importância e fiabilidade do comportamento sísmico dos diferentes tipos de construções, introduz o conceito de Classes de Importância das construções. Esta classificação influencia o valor da acção sísmica a considerar no seu projecto através de um factor de importância γI.
Estão previstas quatro classes de importância para edifícios, com valores do coeficiente de importância γI entre 1,4 e 0,8. Este coeficiente multiplica a acção sísmica de
referência, ou seja, a aceleração de projecto ag é dada em cada caso por:
gR
g a
a I
onde agR é a aceleração máxima de projecto para rocha (ver quadro 3.11 deste trabalho).
O valor mais elevado do coeficiente de importância, 1,4, aplica-se a edifícios fundamentais para o socorro pós-sismo (hospitais, por exemplo) enquanto o valor mais baixo se aplica a edifícios de importância reduzida. Os edifícios correntes têm um valor de γI = 1.0.
No caso em estudo (edifícios escolares), o coeficiente de importância toma o valor de 1,2. No quadro 3.1 apresentam-se as classes de importância e os valores correspondentes do coeficiente γI.
Quadro 3.1 – Classes de Importância e Coeficientes de Importância (EC8, 2004)
Classe de
Importância Edifícios γI
I Edifícios de pequena importância para a segurança publica
(e.g. edifícios agrícolas) 0.8
II Edifícios comuns não englobados nas outras categorias 1.0
III
Edificios cuja resistencia sísmica é importante no que toca a consequências advindas do colapso (e.g. escolas, instituições
culturais)
1.2
IV
Edificios cuja integridade durante um sismo é de vital importância para a sociedade (e.g. hospitais, quartéis de
bombeiros)
1.4
3.1.3 COEFICIENTE DE COMPORTAMENTO
Num edifício, o principal efeito das vibrações do solo durante um sismo consiste na imposição de movimentos rápidos e com inversão de sentido na base da estrutura, sobretudo na direcção horizontal. A estes movimentos estão associadas acelerações no solo que são transmitidas à base e consequentemente à restante estrutura.
Geram-se assim forças de inércia, em consequência do produto das acelerações pelas massas (que se consideram concentradas ao nível dos pisos).
A capacidade resistente de uma estrutura a um fenómeno sísmico depende pois da sua resistência a estas forças de inércia, geradas na massa da própria estrutura.
Apesar de durante muito tempo se ter admitido que as estruturas tinham sempre um comportamento elástico linear, tal não é verdade.
Um comportamento pode considerar-se elástico linear quando as propriedades elásticas dos materiais não são excedidas. Graficamente, um comportamento linear é, portanto, representado apenas como uma única recta. Quando tal não se verifica, o comportamento diz-se não linear (ver Figura seguinte).
Figura 3.1 – Resistência de estruturas a deslocamentos impostos
O coeficiente de comportamento é então o quociente entre o valor da força F1 e a força real necessária para se atingir o deslocamento último, ou de colapso. Obviamente, para um comportamento elástico linear, este coeficiente tem valor unitário. (Lopes, 2008)
O comportamento não linear das estruturas em projecto é geralmente considerado através da divisão dos resultados das análises elásticas pelo coeficiente de comportamento. Este factor depende sobretudo da ductilidade das estruturas e da sua capacidade de dissipação de energia. Em estruturas de betão-armado é definido pela expressão (EC8, 2004): 5 , 1 0 q kw q
Em que,
q0 é o valor base do coeficiente de comportamento;
kw é um factor que reflecte o modo de rotura no caso de sistemas estruturais
com paredes.
Os valores de q0 são apresentados no quadro 3.2, dependendo do tipo estrutural do
edifício e da sua classe de ductilidade (3.1.4). O factor kw toma valores kw=1 para
estruturas em pórtico ou equivalentes e kw= (1 + α0)/3 nos restantes casos, sendo α0 o valor
predominante do quociente altura/largura das paredes.
3.1.4 CLASSES DE DUCTILIDADE
A relação entre a resistência de uma estrutura e a sua dissipação de energia é caracterizada no EC8 pelo coeficiente de comportamento já descrito e pelas classes de ductilidade.
Consideram-se três classes de ductilidade para os materiais estruturais:
Classe de Ductilidade Baixa (DCL)
Classe de Ductilidade Média (DCM)
Classe de Ductilidade Alta (DCH)
As estruturas da Classe de Ductilidade Baixa são consideradas estruturas de baixa dissipação, aconselhando-se o seu uso apenas em casos de baixa sismicidade. No entanto, o Anexo Nacional não toma esta recomendação como obrigatória. O coeficiente de comportamento para estas estruturas é q=1,5, podendo chegar até ao valor de 2,0 em casos especiais de estruturas metálicas ou de aço/betão.
As estruturas DCM e DCH são aquelas em que se consegue tirar maior partido da dissipação de energia, designando-se por estruturas dissipativas. Os coeficientes de comportamento são calculados de acordo com a metodologia descrita anteriormente, sendo superiores para a classe DCH, originando menores forças de inércia e consequentemente
menores esforços. Esta classe possui um elevado grau de exigência devido à sua alta ductilidade, implicando prescrições mais exigentes e consequentemente projectos mais complexos.
No regulamento nacional actual (RSA) consideram-se apenas duas classes de ductilidade, a Classe de Ductilidade Normal (a que corresponde a DCL) e a Classe de Ductilidade Melhorada (agora DCM e DCH). Existe no EC8 uma separação entre dois tipos de estruturas dissipativas a que no RSA apenas correspondia a Classe de Ductilidade Melhorada.
Dependente da classe de ductilidade é o valor de q0, necessário para o cálculo do
coeficiente de comportamento. No quadro 3.2 apresentam-se os valores deste parâmetro para as classes de ductilidade média e alta, uma vez que para a classe de ductilidade baixa, como referido anteriormente, este parâmetro toma o valor 1,5, independentemente do tipo estrutural.
Quadro 3.2 – Valores de qo (EC8, 2004)
Classe de ductilidade
Tipo estrutural DCM DCH
Pórticos, estruturas mistas pórtico-parede e paredes acopladas 1 0 , 3 u 1 5 , 4 u Paredes 3,0 1 0 , 4 u Sistemas de rigidez concentrada 2,0 3,0 Sistemas de pêndulo invertido 1,5 2,0
Importa referir que, enquanto o REBAP e o RSA apenas consideram estruturas pórtico, pórtico-parede e parede, o EC8 considera outros tipos de estruturas, indicadas no quadro anterior.
Para os dois primeiros tipos estruturais, o valor de q0 depende do quociente αu/α1
mecanismo e a acção sísmica que provoca o aparecimento da primeira rótula plástica. Este quociente tem os seguintes valores:
Estruturas pórtico ou mistas equivalentes a pórtico o Edifícios de um piso: αu/α1=1
o Edifícios de vários pisos e um vão: αu/α1=1,2
o Edifícios de vários pisos e vários vãos: αu/α1=1,3
Estruturas em parede ou mistas equivalentes a parede
o Estruturas parede com apenas duas paredes não acopladas em cada direcção: αu/α1=1,0
o Outras estruturas parede sem acoplamento: αu/α1=1,1
o Estruturas mistas equivalentes a parede ou de paredes acopladas: αu/α1=1,2
Comparativamente, o REBAP adopta os seguintes valores de coeficiente de comportamento para as estruturas de edifícios de betão armado:
Quadro 3.3 – Valores de Coeficiente de Comportamento no REBAP (REBAP, 2007)
Ductilidade Normal Ductilidade Melhorada
Pórtico 2,5 3,5
Mista pórtico-parede 2,0 2,5
Parede 1,5 2,0
Pode-se concluir desta breve análise que as estruturas DCM são em geral as mais vantajosas para o projecto de estruturas de betão armado, uma vez que as forças de inércia, inversamente proporcionais aos coeficientes de comportamento, são inferiores às obtidas com uma estrutura DCL. Para um dado tipo estrutural, o coeficiente de comportamento é superior no caso da DCM, originando acelerações e esforços menores. Esta situação, no
caso em que a acção sísmica é a condicionante, leva a que se possam utilizar elementos estruturais de menores dimensões.
As estruturas DCH devido à sua complexidade de projecto, que já se referiu, são menos atractivas e têm menor interesse prático para aplicações correntes.
3.1.5 ZONAMENTO
Segundo o EC8, os territórios nacionais devem ser divididos pelas Autoridades Nacionais em zonas sísmicas, dependendo da perigosidade do local. Esta divisão deverá constar no Anexo Nacional de cada país.
O zonamento é definido através da aceleração máxima de projecto de referência agR, correspondente a um terreno do tipo A – rocha, e para o período de retorno de
referência.
No Anexo Nacional da Norma Portuguesa (NP) do EC8 apresenta-se o zonamento sísmico para Portugal como representado na Figura 3.2. Criaram-se dois zonamentos do território, correspondendo a uma acção sísmica próxima (sismo intraplaca - que pretende representar acção de um sismo de magnitude moderada e a uma pequena distância focal) e uma acção sísmica afastada (sismo interplaca – que pretende representar a acção sísmica de elevada magnitude e a grande distância focal). Assim corrigiu-se uma anomalia conceptual do RSA, que considerava o mesmo zonamento para dois cenários de ocorrência sísmica completamente distintos.
Figura 3.2 – Zonamento sísmico da NP EN 1998-1 para o cenário de sismo afastado/sismo interplacas – acção sísmica tipo 1, (à esquerda) e para o cenário de sismo próximo/sismo intraplaca – acção sísmica tipo 2,
(à direita)
No regulamento adoptado no RSA, como referido em cima, é considerado apenas um zonamento e considera-se o país dividido em quatro zonas, que, por ordem decrescente de sismicidade, são designadas por A, B, C e D.
Figura 3.3 – Zonamento sísmico nacional - RSA
3.1.6 DEFINIÇÃO DA ACÇÃO SÍSMICA
Na maioria dos casos, quando se pretende efectuar a análise sísmica de uma estrutura com comportamento linear, o objectivo é calcular os valores extremos da sua resposta. Para tal, utilizam-se espectros de resposta que representam o movimento sísmico num determinado ponto da superfície.
De uma forma geral, podemos definir espectro de resposta como uma representação gráfica do valor máximo da resposta (deslocamento, esforço, aceleração, ..) de um conjunto de osciladores de um grau de liberdade, quando solicitados por uma determinada acção sísmica. Os valores máximos da resposta dos osciladores são função do período ou frequência dos osciladores e do coeficiente de amortecimento.
O Eurocódigo 8 define dois tipos de espectros de resposta: o espectro de resposta elástico e o espectro de resposta de projecto, ou de dimensionamento.
Quando se pretende, como no trabalho em questão, ter em conta o comportamento não linear da resposta de uma estrutura, recorre-se a uma simplificação: utiliza-se um método linear de análise afectando os resultados pelo coeficiente de comportamento, que,
como referido no ponto 3.1.3, tem em conta efeitos não lineares. Evita-se assim a complexidade associada a uma análise não linear.
Neste processo, o espectro de resposta utilizado é o espectro de projecto, ou dimensionamento, que se obtém da divisão do espectro elástico pelo coeficiente de comportamento.
A forma deste espectro considera-se igual para os dois níveis de acção sísmica (acção sísmica de projecto e acção sísmica de serviço), como referido no ponto 3.1.1, e é definida pelas seguintes expressões:
3 2 5 , 2 3 2 0 q T T S a T S T T B g d B
q S a T S T T TB C d g 2,5
C d
g g d D C ou S T a T T q S a T S T T T 2,5
C D d
g g d D ou S T a T T T q S a T S T T 2,5 2 Onde:Se(T) é o espectro de resposta elástico;
T é o período de vibração dum sistema linear de um grau de liberdade; ag é o valor de cálculo da aceleração de projecto;
TB é o limite inferior do ramo espectral de aceleração constante;
TC é o limite superior do ramo espectral de aceleração constante;
TD é o valor que define o inicio do ramo de deslocamento constante;
S é o factor de terreno;
q é o coeficiente de comportamento;
O espectro de resposta elástico toma a forma genérica apresentada na figura 3.4.
Figura 3.4 – Forma genérica do espectro de resposta elástico (EC8, 2004)
As ondas sísmicas propagam-se sobretudo através do substrato rochoso e atenuam a sua amplitude com a distância percorrida. No entanto, como referido no ponto 2.1 deste trabalho, factores como o tipo de solo atravessado ou a topografia do local influenciam as vibrações à superfície.
O solo pode também ser entendido como uma estrutura solicitada na sua base, no contacto com o substrato rochoso, por uma acção sísmica. Uma estrutura quando solicitada por uma acção sísmica tem tendência a amplificar as amplitudes das vibrações com frequências próximas da sua própria frequência e a atenuar as vibrações com frequências mais distantes. Um solo rijo, por exemplo, é um solo com frequências elevadas. Desta forma, estruturas com frequências mais altas sofrem maiores danos se tiverem este solo na sua fundação, sucedendo o contrário caso o seja brando.
Existe assim claramente uma dependência da acção sísmica relativamente ao tipo de solo. O EC8 considera para este factor as seguintes classes:
Quadro 3.4 – Tipos de Solo (EC8, 2004) Classe de Solo Descrição Velocidade das ondas (m/s) A
Rocha ou formação geológica caracterizada por uma velocidade de ondas de corte superior a 800m/s, que inclua, no máximo, 5m de material mais fraco à superfície
Vs > 800
B Depósitos rijos de areia, gravilha ou argila sobreconsolidada com uma espessura de, pelo menos, várias dezenas de metros
360 < Vs <
800
C
Depósitos profundos de areia de densidade média, de gravilha, ou de argila de consistência média, com espessura entre várias dezenas e muitas centenas de metros
180 < Vs
<360
D
Depósitos soltos de solos não coesivos, com ou sem ocorrência de algumas camadas coesivas brancas;
Depósitos com solos predominantemente coesivos de fraca a média consistência
Vs < 180
E
Perfil de solo com um extracto aluvionar superficial com espessura variando entre 5 e 20m, situada sobre um extracto mais rígido (com Vs >800m/s)
Vs < 360
S1
Depósitos de (ou contendo um extracto com pelo menos 10m) argilas ou siltes brandos com elevando índice de plasticidade ( IP>40) e elevado teor de água
Vs < 100
S2
Depósitos de solos com potencial de liquefacção, ou argilas sensíveis, ou outros perfis não incluídos nos tipos anteriores
Em função do tipo de solo, o Anexo Nacional do EC8 recomenda para as componentes horizontais da acção sísmica tipo 1 (sismo afastado, interplacas) os seguintes valores para as variáveis das expressões em cima descritas,
Quadro 3.5 – Valores dos parâmetros na zona sísmica 1.1 (EC8, 2008) Tipo de solo S TB (s) TC (s) TD (s) A 1,0 0,1 0,6 2,0 B 1,2 0,1 0,6 2,0 C 1,3 0,1 0,6 2,0 D 1,4 0,1 0,8 2,0 E 1,4 0,1 0,6 2,0
Quadro 3.6 – Valores dos parâmetros na zona sísmica 1.2 (EC8, 2008)
Tipo de solo S TB (s) TC (s) TD (s) A 1,0 0,1 0,6 2,0 B 1,2 0,1 0,6 2,0 C 1,4 0,1 0,6 2,0 D 1,6 0,1 0,8 2,0 E 1,5 0,1 0,6 2,0
Quadro 3.7 – Valores dos parâmetros na zona sísmica 1.3 (EC8, 2008)
Tipo de solo S TB (s) TC (s) TD (s) A 1,0 0,1 0,6 2,0 B 1,2 0,1 0,6 2,0 C 1,5 0,1 0,6 2,0 D 1,8 0,1 0,8 2,0 E 1,7 0,1 0,6 2,0
Quadro 3.8 – Valores dos parâmetros na zona sísmica 1.4 e 1.5 (EC8, 2008)
Tipo de solo S TB (s) TC (s) TD (s) A 1,0 0,1 0,6 2,0 B 1,3 0,1 0,6 2,0 C 1,6 0,1 0,6 2,0 D 2,0 0,1 0,8 2,0 E 1,8 0,1 0,6 2,0
Quadro 3.9 – Valores dos parâmetros na zona sísmica 2.1, 2.2 e 2.3 (EC8, 2008) Tipo de solo S TB (s) TC (s) TD (s) A 1,0 0,1 0,25 2,0 B 1,35 0,1 0,25 2,0 C 1,5 0,1 0,25 2,0 D 1,8 0,1 0,3 2,0 E 1,6 0,1 0,25 2,0
Quadro 3.10 – Valores dos parâmetros na zona sísmica 2.4 e 2.5 (EC8, 2008)
Tipo de solo S TB (s) TC (s) TD (s) A 1,0 0,1 0,25 2,0 B 1,35 0,1 0,25 2,0 C 1,6 0,1 0,25 2,0 D 2,0 0,1 0,3 2,0 E 1,8 0,1 0,25 2,0
Os valores da aceleração máxima de projecto de referência agR para as várias zonas
sísmicas da NP do EC8 apresentam-se no quadro seguinte:
Quadro 3.11 – Parâmetro agR (EC8, 2008)
Acção sísmica tipo 1 Acção sísmica tipo 2
Zona sísmica agR [m/s2] Zona sísmica agR [m/s2]
1.1 2,5 2.1 2,5
1.2 2,0 2.2 2,0
1.3 1,5 2.3 1,7
1.4 1,0 2.4 1,1
1.5 1,5 2.5 0,8
3.1.7 CRITÉRIOS DE REGULARIDADE ESTRUTURAL
Para se determinarem os efeitos da acção sísmica num edifício, é necessário recorrer a métodos de análise que se descrevem no ponto 5 do presente trabalho. A escolha do método a utilizar é da responsabilidade do projectista, embora esteja condicionada pelos
critérios de regularidade da estrutura, cuja não verificação impede a utilização dos métodos estáticos.
No quadro 3.12 apresentam-se as hipóteses mais simples para cada um dos casos de regularidade e os correspondentes valores do coeficiente de comportamento a adoptar. O projectista pode adoptar sempre opções mais rigorosas do que as indicadas no quadro.
Quadro 3.12 – Modelos, métodos e valores de coeficiente de comportamento a utilizar consoante a regularidade estrutural do edifício (EC8, 2004)
Regularidade Modelo
Estrutural Método de análise
Coeficiente de comportamento
Em planta Em altura
Sim Sim Plano Estático (forças horizontais) Valor de referência
Sim Não Plano Modal (dinâmico) Valor reduzido 20%
Não Sim Espacial Estático (forças horizontais) Valor de referência
Não Não Espacial Modal (dinâmico) Valor reduzido 20%
É pois necessário que uma estrutura verifique critérios de regularidade em planta e em altura para que se possam utilizar os métodos de análise mais simples.
3.1.7.1 REGULARIDADE EM PLANTA
Para que uma estrutura se considere regular em planta, deve respeitar os seguintes critérios:
Simetria em relação a dois eixos ortogonais no que se refere à distribuição de massas e rigidez;
A forma dos pisos deve ser compacta. Cada piso deve ser delimitado por uma linha convexa. A área exterior à linha não deve exceder 5% da área total do piso;
Os pisos devem comportar-se como diafragmas, devendo ser suficientemente rígidos em planta de modo a que a sua deformabilidade não altere consideravelmente a distribuição dos esforços entre elementos verticais;
As dimensões em planta devem satisfazer a condição Lmáx./Lmín. ≤ 4; Limite dos efeitos de torção:
A excentricidade estrutural em cada direcção deve ser igual ou inferior a 30% do raio de torção respectivo:
r e0 0,30
Em que: e0 é a excentricidade estrutural (distância entre o centro de massa e o centro de
rigidez) e r o raio de torção em cada direcção. O raio de torção pode ser calculado através da seguinte fórmula:
K K r
Sendo Kθ a rigidez de torção e K a rigidez lateral em cada direcção.
O raio de torção em cada direcção deve ser igual ou superior ao raio de giração da massa do piso, Is.
s I r
Para um piso de forma rectangular com dimensões l e b e massa uniformemente distribuída em planta, o raio de giração é dado por:
12 2 2 b l Is
